基于mems地震儀的天然地震信號采集系統(tǒng)的開發(fā)碩士學(xué)位論文-資料下載頁
2025-06-19 18:43本頁面
【正文】 采用絕對值調(diào)整技術(shù)允許用戶僅用一只電阻便可以精確地設(shè)置增益為1至1000；具有109Ω的高輸入阻抗，能有效地抑制信號源與傳輸網(wǎng)絡(luò)阻抗不對稱引入的誤差；等效輸入噪聲密度小于13 nVHz，共模抑制比高達(dá)130dB，輸入失調(diào)電壓的溫度漂移小于1μV/℃，能有效地抑制共模干擾引入的誤差，提高信噪比和系統(tǒng)的精度[8]。另外，在同類產(chǎn)品中，它的功耗特別低：輸入電壓為177。5V時。圖38為AD620的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖，圖中輸入三極管Q1和Q2提供一個差分對雙極性輸入，超β工藝還提供低于1/10的輸入偏置電流。通過Q1A1R1環(huán)路和Q2A2R2環(huán)路反饋，使通過輸入器件Q1和Q2的集電極電流保持恒定，由此使輸入電壓加在外部增益設(shè)置電阻器RG的兩端。這就產(chǎn)生一個從輸入到AA2輸出的差分增益G，G=(R1+R2)/RG+1。單元增益減法器A3消除共模信號，并且相對參考電位產(chǎn)生單端輸出[8]。 RG的值還決定前置放大器級的跨導(dǎo)。為了提供增益而減小RG時，前置放大器級的跨導(dǎo)逐漸增加到相應(yīng)輸入三極管的跨導(dǎo)。這種設(shè)計使得隨著設(shè)置增益增加，開環(huán)增益也隨著增加，從而降低了增益相對誤差；增益帶寬乘積（由C1，C2和前置放大器跨導(dǎo)決定）隨著設(shè)置的增益一起增加，因而優(yōu)化了放大器的頻率響應(yīng)。另外，由于輸入器件的集電極電流和基極電阻的關(guān)系，使得輸入電壓噪聲可以減少到9 nV/Hz。，從而允許只利用一只外部電阻器便可精確地設(shè)置增益。增益公式為 (325)或 （326）（3）具體設(shè)計 具體線路連接如圖39，圖中儀表放大器AD620由177。5V電源供電，差動輸入為前級加速度芯片1221x002的輸出信號，RG為增益調(diào)整電阻，C為電源濾波電容，濾除電源線上的高頻噪聲。圖39前置放大器電路連接圖 由芯片1221x002的工作特性可知，若采用差動輸出方式，則當(dāng)加速度為0g時，差動輸出正負(fù)端輸出均為+，差動電壓為0V；當(dāng)加速度為+1g時，芯片的差動輸出的正負(fù)端輸出均分別為+，+，差動壓為2V；當(dāng)加速度為滿量程＋2g時，差動輸出正負(fù)端輸出分別為++，差動電壓為4V。因此，若需要采集的地震信號整體幅度較大甚至接近滿量程，那么前置放大器的放大倍數(shù)就不能太大，否則輸出信號將會失真；若地震信號較弱則需要將信號進(jìn)行適當(dāng)放大，以提高信號的輸出電壓。因此，在設(shè)計時提供了多種可選增益，分別為10。 對于檢出的地震信號增益G＝2的情況，由式（326）可得（4）誤差分析 AD620是根據(jù)典型的三運(yùn)算放大器改進(jìn)而成的，可看作由輸入和輸出兩級組成，每級都有各自的誤差源。儀表放大器的綜合誤差可分為四類，即輸入誤差、輸出誤差、RTI總誤差和RTO總誤差。輸入誤差是由放大器的輸入級單獨(dú)貢獻(xiàn)的誤差；輸出誤差是放大器的輸出級引起的誤差；將與輸入端相關(guān)的誤差進(jìn)行分類和組合折合到輸入端的誤差稱為RTI總誤差；將與輸出端相關(guān)的誤差進(jìn)行分類和組合折合到輸出端的誤差稱為RTO總誤差[10]。 對于給定的增益，儀表放大器的輸入和輸出折合誤差可使用的下述兩個公式計算： RTI總誤差＝輸入誤差＋輸出誤差/增益 RTO總誤差＝輸入誤差增益＋輸出誤差 儀表放大器的誤差源有很多種，包括共模輸入電壓、輸入輸出失調(diào)、溫漂、增益精度、增益非線性和電源變化等。其中最主要的是共模輸入電壓引起的誤差和輸入輸出失調(diào)引起的誤差。下面分別進(jìn)行分析，計算時統(tǒng)一將所有誤差都折合到輸出端。 理想儀表放大器應(yīng)該完全抑制放大輸入端的任何共模分量，但實(shí)踐中輸出端總會有殘余成分。共模抑制比就是用來衡量共模信號被放大器抑制程度的一個綜合指標(biāo)[11]。表示為 （327） 其中，AD是差分增益，VCM是輸入端共模信號，VOCM是共模信號引起的輸出端電壓。所以，由共模電壓引起的輸出電壓是 (328) 第6章結(jié)論本文根據(jù)天然地震信號的特點(diǎn)，基于MEMS技術(shù)，綜合運(yùn)用傳感器、信號調(diào)理、電源設(shè)計、抗干擾、低功耗等電子線路設(shè)計知識，研制了高性能三分量MEMS地震儀。并采用一款高分辨率數(shù)據(jù)采集器，在VC++編程環(huán)境下開發(fā)了配套的數(shù)據(jù)采集處理軟件，與MEMS地震儀一起組成了一套完整的地震信號采集系統(tǒng)。文中重點(diǎn)分析了硬件各主要模塊的設(shè)計，從改善電路信噪比的角度出發(fā)，進(jìn)行了多次試驗(yàn)和改進(jìn)，使設(shè)計不斷得到完善。另外，還深入分析了軟件的編寫思路，采用了模塊化的編程方法，對各個功能模塊合理配置，提高了軟件的可靠性和易用性。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，地震儀靈敏度高、頻帶寬、低頻響應(yīng)好，且機(jī)械結(jié)構(gòu)合理，使用方便；整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)精度高、實(shí)時性好、人機(jī)接口較好，可以實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)數(shù)據(jù)采集，達(dá)到了設(shè)計要求?？傊撓到y(tǒng)整體性能良好，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值和使用價值。但也有不足之處，應(yīng)該在以后的研究中改進(jìn)。主要有以下兩個方面：地震儀的實(shí)際噪聲與理論值相比偏大，應(yīng)該進(jìn)一步改進(jìn)電路設(shè)計，減小電路噪聲，提高地震儀的分辨率和動態(tài)范圍；地震儀的殼體內(nèi)部應(yīng)使用真空處理，進(jìn)一步減小空氣流的干擾，降低外部噪聲。 參考文獻(xiàn)[1]梁宏軍，；26(1):6062[2]::6869[3]－:：2131,7784[4]::1719[5]SILICON DESIGNS,.USA:[6]；13(4):217219[7]孫傳友,::3840[8]::29,5761,8898[9]、：:3263[10]Charles Kitchin,Lew :Analog Devices,:57,58[11]康光華,:高等教育出:233236[12]姚福安,；19(2):2023[13]Maxim/::15[14]Maxim/.USA::13[15]Maxim/.USA::18[16]Maxim/::13[17]：機(jī)械工業(yè)出版社.2000:150167[18]何麗華,；1(4)：48[19]：:460505[20] C++::177178,303[21] C++高級編程技術(shù)—：電子工業(yè)出版社，[22]Data Translation, Data :16[23] 2000 WDM驅(qū)動程序開發(fā)技術(shù)的研究:[碩士學(xué)位論文],西安電子科技大學(xué),西安:2001[24]Data Translation, SDK User’:3346,52,6668,8390[25]Data Translation, Series User’:1620,4556[26] :3[27] C++：人民郵電出版社，2004：180181，261265[28]Redwood City Public Seismic Type 4 Format.[29]Redwood City Public Seismic SensitivityCalculator.[30]吳興惠,:電子工業(yè)出版社.1998:379393[31]::6882,136139，435－439[32]：[碩士學(xué)位論文]，沈陽理工大學(xué)，沈陽：2005[33]蔡亞先,；24(3):113114
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